Nous décrivons l'utilisation de rayonnement synchrotron à rayons X spectroscopie d'absorption (XAS) et diffraction des rayons X (XRD) techniques pour sonder les détails des processus d'intercalation / désintercalation dans de matériaux d'électrodes pour les batteries Li-ion et Na-ion. In situ et ex situ des expériences sont utilisés pour comprendre le comportement structurelles sur le fonctionnement des dispositifs
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Article de méthode
Caractérisation des Matériaux pour électrodes au lithium-ion et ion sodium utilisant des techniques de rayonnement synchrotron
Dans cet article
Résumé
Résumé
des composés d'intercalation, tels que des oxydes ou des phosphates de métaux de transition sont les matériaux d'électrode plus couramment utilisés dans Li-ion et des batteries Na-ion. Lors de l'insertion ou l'enlèvement d'ions de métaux alcalins, les états redox de métaux de transition dans les composés changent et transformations structurelles telles que des transitions de phase et / ou en treillis paramètre augmente ou diminue produisent. Ces comportements déterminent à leur tour d'importantes caractéristiques des batteries tels que les profils de potentiel, les capacités de fréquence, et la vie de cycle. Les rayons X extrêmement brillants et accordables produites par le rayonnement synchrotron permettent l'acquisition rapide de données à haute résolution qui fournissent des informations sur ces processus. Transformations dans les matériaux en vrac, tels que les transitions de phase, peuvent être observés directement en utilisant la diffraction des rayons X (XRD), tandis que la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) donne des informations sur les structures électroniques et géométriques locales (par exemple, les changements d'états redox et liaison lengths). Lors d'expériences in situ réalisées sur des cellules d'exploitation sont particulièrement utiles car ils permettent de corrélation directe entre les propriétés électrochimiques et structurelles des matériaux. Ces expériences sont longs et peuvent être difficiles à concevoir en raison de la réactivité et de l'air-sensibilité des anodes de métaux alcalins utilisés dans les configurations les demi-cellules, et / ou la possibilité d'une interférence des signaux provenant d'autres composants cellulaires et de matériel. Pour ces raisons, il convient de réaliser des expériences ex situ (par exemple sur des électrodes récoltées à partir de cellules partiellement chargées ou parcourus) dans certains cas. Ici, nous présentons des protocoles détaillés pour la préparation des deux ex situ et in situ des échantillons pour des expériences impliquant des rayonnements synchrotron et démontrons comment ces expériences sont effectuées.
Introduction
Les batteries lithium-ion pour l'électronique grand public commande actuellement un marché $ 11,000,000,000 dans le monde entier ( http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/ ) et sont le premier choix pour les applications de véhicules émergents comme plug-in de véhicules électriques hybrides (PHEV) et les véhicules électriques (VE). Analogues à ces dispositifs utilisant des ions de sodium plutôt que lithium sont aux premiers stades de développement, mais sont considérées comme....
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Protocole
Une. Planification des expériences
- Identifier les expériences de la ligne de faisceau d'intérêt. Reportez-vous à des pages Web de la ligne de faisceau comme guides. Pour SSRL XAS et XRD, ceux-ci are: http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-1/ and http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-3/ and http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl11-3/
- Contactez-ligne de faisceau scientifique et d....
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Résultats
La figure 2 montre une séquence typique utilisé pour une expérience in situ. Après la synthèse et la caractérisation des poudres de matières actives, les électrodes composites sont préparées à partir des bouillies contenant la matière active, un liant tel que le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et des additifs conducteurs tels que le noir de carbone ou de graphite en suspension dans du N-méthylpyrrolidinone (NMP), coulée sur une ou l'autre aluminium ou en cuivre feuille collecteurs de cour.......
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Discussion
L'analyse des données indique que XANES-fait LiNi x Co 1-2x Mn x O 2 (0,01 ≤ x ≤ 1) composés contient Ni 2 +, Co 3 + et Mn 4 +. 10 Une récente étude in situ XAS sur LiNi 0,4 Co 0,15 Al 0,05 Mn 0,4 O 2 a montré que Ni 2 + a été oxydé en Ni 3 + et, finalement, Ni 4 + pendant délithiation, mais que les processus d'oxydoréduction impliquant Co <.......
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Déclarations de divulgation
Les auteurs ont rien à révéler.
Remerciements
Ce travail est soutenu par le secrétaire adjoint pour l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables, Bureau des technologies des véhicules du ministère de l'Énergie des États-Unis au titre du contrat n ° DE-AC02-05CH11231. Parties de ces recherches ont été effectuées à la Stanford Synchrotron Radiation Source lumineuse, une Direction de SLAC National Accelerator Laboratory et un Bureau de la science facilité d'utilisation exploité pour le bureau du ministère de l'énergie des sciences des États-Unis par l'Université de Stanford. Le programme de biologie moléculaire SSRL structurel est soutenu par le DOE Office de recherche biologique et en....
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Equipment | |||
| Boîte à gants pour atmosphère inerte | Atmosphères sous vide Commande | personnalisée, contactez les fournisseurs | Utilisé lors de l’assemblage des cellules et pour stocker les métaux alcalins et les composants sensibles à l’humidité. (http://vac-atm.com) |
| Boîte à gants à atmosphère inerte | Mbraun | Différentes tailles (simple, double) disponibles, de nombreuses options telles que des antichambres mini ou chauffées, des systèmes d’évacuation de l’oxygène/de l’eau, des étagères, des traversées électriques, des etc. (http://www.mbraunusa.com) | |
| Diffractomètre à rayons X (XRD) | Panalytical | X’Pert Powder | X’Pert est un système modulaire. De nombreux accessoires sont disponibles pour des expériences spécialisées. (www.panalytical.com) |
| Diffractomètre à rayons X (XRD) | Bruker | Bruker D2 Phaser | Bruker D2 Phaser est compact et adapté aux analyses de routine des poudres. (www.bruker.com) |
| Microscope électronique à balayage (MEB) | JSM7500F | microscope électronique à balayage à émission de champ haute résolution avec de nombreuses options personnalisables. JEOL (http://www.jeolusa.com) Des versions de table à faible coût sont également disponibles. Contactez le fournisseur pour connaître les options. | |
| Scelleuse de pochettes | VWR | 11214-107 | Utilisée pour sceller des sachets pour le travail in situ . (https://us.vwr.com) |
| Outil de sertissage manuel | Pred Materials | HSHCC-2016, 2025, 2032, 2320 | Utilisé pour sceller les piles bouton. Faites correspondre la taille au matériel de la pile à pièces. (www.predmaterials.com) |
| Outil de démontage de pile bouton | Pred Materials | Contacter le fournisseur | Utilisé pour démonter les piles bouton afin de récupérer les électrodes pour le travail ex situ. Des pinces à bec effilé peuvent également être utilisées. Couvrez les extrémités avec du ruban adhésif en téflon pour éviter de court-circuiter les cellules. (www.predmaterials.com) |
| Couteaux de coulée de film | BYK Gardner | 4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329 | Utilisé pour couler des films d’électrodes à partir de boues. Différentes tailles disponibles, avec des gradations métriques ou anglaises. Les applicateurs et racles de type Baker sont moins polyvalents, mais moins coûteux. Peut être utilisé à la main ou avec des applicateurs de film automatiques. (https://www.byk.com) |
| Racles, applicateurs Baker | Matériaux de prédation | Applicateur de type Baker et racle. Couteaux de coulée de film également disponibles. | Utilisé pour couler des films d’électrodes à partir de boues. Différentes tailles disponibles, avec des gradations métriques ou anglaises. Les applicateurs et racles de type Baker sont moins polyvalents, mais moins coûteux. Peut être utilisé à la main ou avec des applicateurs de film automatiques. (www.predmaterials.com) |
| Applicateur automatique de film | BYK Gardner | 2101, 2105, 2121, 2122 | En option. Utilisé avec des applicateurs de barres, des racles ou des couteaux de coulée de film pour la production automatique de films d’électrodes. Les films peuvent également être réalisés à la main mais sont moins uniformes. (https://www.byk.com) |
| Applicateur de film automatique | Matériaux de prédation | Contacter le fournisseur | Facultatif. Utilisé avec des applicateurs de barres, des racles ou des couteaux de coulée de film pour la production automatique de films d’électrodes. Les films peuvent également être réalisés à la main mais sont moins uniformes. (www.predmaterials.com) |
| Potentiostat/galvanostat | Bio-Logic Science Instruments | VSP | Potentiostat/galvanostat portable à 5 canaux, contrôlé par ordinateur, utilisé pour le cycle des cellules pour des expériences in situ. (http://www.bio-logic.info) |
| Potentiostat/galvanostat | Gamry Instruments | Référence 3000 | Potentiostat/galvanostat portable monocanal contrôlé par ordinateur utilisé pour le cycle des cellules pour des expériences in situ. (www.gamry.com) |
| de diffraction de zone | Téléchargement gratuit | Utilisé pour l’analyse des données de diffraction 2D. Versions Mac et Windows disponibles. http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/ | |
| IFEFFIT | Téléchargement gratuit | Suite de programmes interactifs pour l’analyse XAS, y compris Héphaïstos, Athéna et Artémis. Disponible pour Mac, Windows et UNIX. http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/ | |
| SIXPACK | Téléchargement gratuit | programme d’analyse XAS qui s’appuie sur IFEFFIT. Versions Windows et Mac. http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html | |
| CelRef | Téléchargement gratuit | Raffinement graphique des cellules unitaires. Windows uniquement. http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm et http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/lmgp-laugier-bochu/ | |
| Réactif/Matériel | |||
| Matériaux actifs d’électrodes | divers | Synthétisés en interne ou obtenus auprès de divers fournisseurs. | |
| Graphite synthétique en flocons | Timcal | SFG-6 | Additif conducteur pour électrodes. (www.timcal.com) |
| Acétylène noir | Denka | Denka Noir | Additif conducteur pour électrodes. (http://www.denka.co.jp/eng/index.html) |
| 1-méthyl-2-pyrrolidinone (NMP) | Sigma-Aldrich | 328634 | Utilisé pour fabriquer des boues d’électrodes. (www.sigmaaldrich.com) |
| Collecteurs de courant Exopack | z-flo 2650 | Feuilles revêtues de carbone. Enduit sur un côté. (http://www.exopackadvancedcoatings.com) | |
| Collecteurs de courant Al | Alfa-Aesar | 10558 | 0,025 mm (0,001 po) d’épaisseur, 30 cm x 30 cm (12 po x 12 po), 99,45 % (à base métallique), non revêtu (http://www.alfa.com) |
| Collecteurs de courant | Cu | À utiliser avec des matériaux d’anode pour les batteries Li-ion. (www.predmaterials.com) | |
| Feuille de lithium | Rockwood Lithium | Contact vendeur | Anode pour demi-cellules. Disponible en différentes épaisseurs et largeurs. Réactif et sensible à l’air. Stocker et manipuler dans une boîte à gants sous atmosphère inerte sous He ou Ar (réagit avec N2). (www.rockwoodlithium.com) |
| Feuille de lithium | Sigma-Aldrich | 320080 | Anode pour demi-piles. Disponible en différentes épaisseurs et largeurs. Réactif et sensible à l’air. Stocker et manipuler dans une boîte à gants sous atmosphère inerte sous He ou Ar (réagit avec N2). (www.sigmaaldrich.com) |
| Lingot | de sodium Sigma-Aldrich | 282065 | Anodes pour demi-cellules. Peut être extrudé en feuilles. Réactif et sensible à l’air. Ranger et manipuler dans une atmosphère inerte boîte à gants sous He uniquement. (www.sigmaaldrich.com) |
| Solutions d’électrolytes | BASF | Selectilyte P-Series Contact fournisseur | pour les formulations souhaitées. (http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes) |
| Carbonate de diméthyle (DMC) | Sigma-Aldrich | 517127 | Utilisé pour laver les électrodes pour les expériences ex situ. (www.sigmaaldrich.com) |
| Séparateurs microporeux | Celgard | 2400 | Membranes en polypropylène (http://www.celgard.com) |
| Quincaillerie de pile bouton (boîtier, capuchon, joint) | Matériaux Pred | CR2016, CR2025, CR2320, CR2032 | Adapter la taille à l’outil de sertissage disponible, composants Al-clad également disponibles. (www.predmaterials.com) |
| Rondelles ondulées | Pred Materials | SUS316L | (www.predmaterials.com) |
| Entretoises | Pred Materials | SUS316L | (www.predmaterials.com) |
| Ni et Al languettes pré-collées Pred | Materials | Contacter le vendeur | Les tailles sont susceptibles d’être modifiées. Renseignez-vous sur les commandes personnalisées. (www.predmaterials.com) |
| Sachets en polyester | VWR | 11214-301 | Utilisé pour l’étanchéité des cellules électrochimiques pour le travail in situ . Évitez les sachets résistants en raison des fortes interférences de signal. (https://us.vwr.com) |
| Film Kapton | McMaster-Carr | 7648A735 | Utilisé pour couvrir les électrodes pour les expériences ex situ, 0,0025 en épaisseur (www.mcmaster.com) |
| Hélium, argon et 4-10 % d’hydrogène dans l’hélium ou l’argon | Air Products | contacter le fournisseur pour les compositions et les niveaux de pureté souhaités | L’hélium ou l’argon utilisé pour remplir la boîte à gants où l’assemblage des cellules est effectué et où le métal alcalin est stocké. (http://www.airproducts.com/products/gases.aspx) |
| N’utilisez pas d’azote car il réagit avec le lithium. N’utilisez de l’hélium que si du sodium est stocké. Le niveau de pureté nécessaire varie selon que la boîte à gants est équipée ou non d’un système d’élimination de l’eau et de l’oxygène. Mélanges d’hydrogène nécessaires à la régénération du système d’élimination de l’eau et de l’oxygène, le cas échéant ou tout autre fournisseur de gaz approprié |
Références
- Kim, S. -W., Seo, D. -I., Ma, X., Ceder, G., Kang, K. Electrode Materials for Rechargeable Sodium-Ion Batteries: Potential Alternatives to Current Lithium-Ion Batteries. Adv. Energy Mater. 2, 710-721 (2012).
- Palomares, V., Serras, P., Villaluenga, I., Huesa, K. B., Cerretero-Gonzalez, J., Rojo, T.
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Réimpressions et autorisations
